An in vivo study of the role of cytochrome P450 and aldehyde oxidase on imidacloprid and cypermethrin metabolism and related oxidative stress and DNA damage

Abstract

In this PhD thesis we examined the toxicology aspect of two pesticides,cypermethrin (CY) a synthetic pyrethroid and imidacloprid (IMI) a neonicotinoidand their relevant functions, adverse effects and each pesticide’s moredominant metabolic pathway. Regarding in vivo studies, many pesticides areused in conjunction with Piperonyl Butoxide (PBO) as it is a powerful inhibitor of the oxidative function of Cytochrome P450 (CYP450) and it is also known for its synergistic actions when combined. PBO has become a diagnostic tool for two important aspects of insecticide toxicology which is to determine if an in vivo metabolism of an insecticide is oxidative and to determine if cases of insecticide resistance involve oxidative metabolism by CYP450. The CYP450 mono-oxygenases are a large and functionally diverse family of enzymes that carry out the initial oxidation of a wide variety of lipophilic compounds. These enzymes play a major role in the metabolism of xenobiotics such as drugs, pesticides, carcinogens and other environmental chemicals. It is also knownthat the metabolites (produced when CYP450 is participated) of CYP450 are responsible for toxicity damage arising from the use of pesticides. Furthermore, neonicotinoids are simultaneously metabolized in vivo by aldehyde oxidase(AOX) from the reduction of the nitro-imino group as well as by CYP450 oxidation reactions. Reduced AOX activity is closely correlated with reduced IMI metabolism to IMI-NNO and IMI-NH, two main metabolic products from the AOX pathway. Finally, metabolites from PBO and AOX reactions are believed to be as potent as the parent compound. This thesis is based on a number of studies each one designed to address a different aspect of the topic. In older studies, CY has not been extensively studied regarding its combination withPBO and neither has PBO been studied based on its inhibition capabilities and its ability to induce toxicity on its own. These comparisons are describedin the first publication that focus on the systemic condition of New Zealandmale rabbits after long term exposure to CY and PBO based on oxidative stressand telomerase activity test results. In the second publication, a continuation of the first part of the study was conducted to evaluate additionally the liver and kidney inflammation and genotoxicity in New Zealand white male rabbits after long term exposure to CY and PBO. In the last publication, we evaluated theinhibition effectiveness of sodium tungstate dihydrate (ST), an AOX inhibitor,in order to elucidate the relative contribution of CYP 450 and AOX metabolic pathways in IMI metabolism so as to clarify which metabolic pathway is actually more detrimental in New Zealand male rabbits.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκε (μελετήθηκε/εκτιμήθηκε)η δράση από τοξικολογικής πλευράς δύο φυτοφαρμάκων, του cypermethrin(CY), ενός συνθετικού πυρεθροειδούς και του imidacloprid (IMI), ενός νεονικοτινοειδούς, των σχετικών λειτουργιών τους, των ανεπιθύμητων παρενεργειών καθώς και το επικρατέστερο μεταβολικό μονοπάτι κάθε φυτοφαρμάκου. Στο πλαίσιο της πραγματοποίησης in vivo μελετών, πολλά φυτοφάρμακα χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με το Piperonyl Butoxide (PBO) το οποίο αποτελεί έναν ισχυρό αναστολέα της οξειδωτικής δράσης του Κυτοχρώματος P450 (CYP450) και είναι επίσης γνωστό για τις συνεργιστική του δράση, σε αυτές τις περιπτώσεις. Το PBO αποτελεί ένα διαγνωστικό εργαλείο ως προς δύο σημαντικές τοξικολογικές δράσεις των εντομοκτόνων και συμβάλλει στον προσδιορισμό του αν ο in vivo μεταβολισμός ενός εντομοκτόνου είναι οξειδωτικός καθώς και αν η αντοχή στα εντομοκτόνα περιλαμβάνει οξειδωτικό μεταβολισμό από το CYP450. Οι μονο-οξυγενάσες του κυτοχρώματος P450 ανήκουν σε μια μεγάλη οικογένεια ενζύμων με πολλαπλή δράση που διεξάγουν την αρχική οξείδωση σε μια πληθώρα λιποφιλικών ενώσεων. Τα ένζυμα αυτάδιαδραματίζουν κυρίαρχο ρόλο στο μεταβολισμό ξενοβιοτικών ουσιών όπως τα φάρμακα, φυτοφάρμακα, καρκινογόνα και άλλα περιβαλλοντικά χημικά.Είναι επίσης γνωστό πως η τοξικολογική βλάβη που προκύπτει από τη χρήση των φυτοφαρμάκων οφείλεται στους μεταβολίτες που παράγονται από τη συμμετοχή του κυτοχρώματος CYP450. Επιπρόσθετα, τα νεονικοτινοειδή in vivo μεταβολίζονται συγχρόνως από την αλδεΰδική οξειδάση (AOX), λόγω αναγωγής της νιτρο-ιμινο ομάδας, όπως και από τις CYP450 οξειδωτικές αντιδράσεις. Η μειωμένη δραστικότητα της AOX συσχετίζεται στενά με μειωμένο μεταβολισμότου IMI στα δύο κύρια μεταβολικά προϊόντα (IMI-NNO και IMI-NH) τα οποία θεωρούνται εξίσου δραστικά με την μητρική ουσία. Η παρούσα διδακτορική διατριβή βασίστηκε σε μια πληθώρα μελετών καθεμία σχεδιασμένη για να διαλευκάνει διαφορετική πλευρά του θέματος. Σε προηγούμενες μελέτες, το CY δεν έχει εκτενώς μελετηθεί σε συνδυασμό με το PBO όπως επίσης δεν έχει μελετηθεί το PBO ως προς τις ανασταλτικές δυνατότητες και την ικανότητα του να μειώνει την τοξική δράση όταν χρησιμοποιείται μόνο του. Η σύγκριση της παρούσας διδακτορικής διατριβής με τις προηγούμενες έρευνες παρουσιάζονται στη πρώτη δημοσίευση, στην οποία το ενδιαφέρον μας επικεντρώνεται στη συστημική κατάσταση αρσενικών κουνελιών Νέας Ζηλανδίας μετά την μακροπρόθεσμη έκθεση τους σε CY και PBO και η εκτίμηση αυτής βασίζεται στα εργαστηριακά αποτελέσματα του οξειδωτικού στρες και της ενεργότητας της τελομεράσης. Στη δεύτερη δημοσίευση, διεξήχθη μια συνέχιση του πρώτου μέρους της μελέτης, ώστε επιπλέον να εξετασθεί η φλεγμονή στο ήπαρ και τους νεφρούς καθώς και η γενοτοξικότητα σε αρσενικά κουνέλια Νέας Ζηλανδίας μετά την μακροπρόθεσμη έκθεση τους σε CY και PBO. Στην τελευταία δημοσίευση, μελετήσαμε την ανασταλτική αποτελεσματικότητα του sodium tungstate dihydrate (ST), ενός ανασταλτικού παράγοντα της AOX, ώστε να διασαφηνιστεί η σχετική συνεισφορά των CYP 450 και AOX μεταβολικών μονοπατιών στο μεταβολισμό του ΙΜΙ για να μπορέσουμε τελικά να διευκρινίσουμε ποια μεταβολική οδός είναι περισσότερο επιζήμια για τα αρσενικά κουνέλια Νέας Ζηλανδίας.